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摘要：通過研究一起光伏儲能電站磷酸鐵鋰電池預制艙火災，結(jié)合火災事故預警、初期處置、火災撲救、事故原因等環(huán)節(jié)，評估該儲能電站的消防安全可靠性，對該類場所的火災風險、消防設計、防火措施、消防管理、滅火處置等進行討論，并提出完善該類儲能電站相關(guān)消防標準法規(guī)、消防安全的對策建議。
關(guān)鍵詞：儲能電站；磷酸鐵鋰電池；熱失控；消防安全
2024年5月26日14時許，海南某市一70 MW農(nóng)光互補型光伏儲能電站磷酸鐵鋰電池預制艙發(fā)生火災，火災造成1組電池預制艙燒毀，未造成人員傷亡，未蔓延擴大，未發(fā)生次生災害。本文基于該起火災調(diào)查和案例復盤，提出保障光伏儲能電站磷酸鐵鋰電池預制艙消防安全的對策建議。
1 儲能電站基本情況
該農(nóng)光互補型光伏儲能電站項目位于空曠地帶，周邊無其他建筑和場所。項目總占地面積約83 萬m2，總?cè)萘?0 MW，配套建設17.5 MW/35 MWh的儲能系統(tǒng)和約50 萬m2的農(nóng)光互補農(nóng)業(yè)大棚。項目已經(jīng)實現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電，儲能設備全部滿負荷投入運行。該儲能電站整體布局見圖1。
圖1 儲能電站平面示意圖
儲能系統(tǒng)為7組磷酸鐵鋰電池預制艙，能量為2.5 MW/5.16 MWh。每個預制艙由16個電池簇組成，每個電池簇的能量為322.56 kWh；每個電池簇由15個電池模組串聯(lián)組成，每個電池模組額定電壓為76.8 V、容量為280 Ah、能量為21.5 kWh；每個電池模組采用24只磷酸鐵鋰電芯串聯(lián)方式組成，單體電芯額定電壓為3.2 V、容量為280 Ah、能量為0.896 kWh。6號電池預制艙內(nèi)部布局見圖2。
圖2 6號電池預制艙內(nèi)部示意圖（單位：mm）
項目建有功率變換系統(tǒng)，設有7個儲能變流器PCS艙。設有能量管理系統(tǒng)EMS，對儲能系統(tǒng)進行綜合管理、平滑控制。設有電池管理系統(tǒng)BMS，由電池模塊管理單元BMU、電池簇管理單元BCU和電池堆/艙管理單元BSU組成，實時監(jiān)測和記錄電池運行情況。并設有2 750 kVA的隔離變壓器。
儲能電站設有消防給水系統(tǒng)，建有5個地上式室外消火栓和1個216 m3的消防水池。每組電池預制艙設有火災自動報警系統(tǒng)、七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)、可燃氣體探測器和防爆型通風裝置。站內(nèi)設有消防控制室和水泵房，配備了滅火器材，設有環(huán)形消防車道。
2 火災處置情況
2.1 火災處置經(jīng)過
接警后，當?shù)叵啦块T立即啟動三級火警調(diào)派力量。消防力量到場后，了解到6號電池預制艙溫度異常過高、EMS反復告警、七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)已啟動、視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)有火光、艙體有煙霧冒出，濃煙、明火逐步向整個預制艙蔓延。遂立即劃定安全區(qū)，疏散現(xiàn)場人員，切斷電源，并組織力量利用移動水炮、滅火機器人等遠程進行不間斷地冷卻和隔離，防止事故向附近電池艙蔓延。同時，啟動與地方氣象、水務、環(huán)保等部門的協(xié)作機制，與儲能電站企業(yè)、工程施工、電池廠家技術(shù)人員會商研判，利用無人機紅外技術(shù)、可燃氣體檢測儀、有毒氣體檢測儀、漏電監(jiān)測儀等，實時監(jiān)測電池艙表面溫度和現(xiàn)場毒害氣體濃度變化。
現(xiàn)場處置中，利用儲能電站站區(qū)內(nèi)的2個地上式室外消火栓、1個216 m3消防水池，農(nóng)光互補區(qū)1個2 000 m3農(nóng)業(yè)用水水源及補水設施，保證了現(xiàn)場處置不間斷消防用水。經(jīng)過24 h不間斷冷卻處置，有效控制了火勢范圍及蔓延危害，事故預制艙表面溫度持續(xù)低于70 ℃，現(xiàn)場可燃氣體濃度處于安全范圍。綜合研判現(xiàn)場情況、分析國內(nèi)外事故案例并與相關(guān)專家溝通會商后，指揮部決定分批次打開電池簇艙門滅火，并強調(diào)個人防護和安全要求。2 h后，現(xiàn)場處置完畢。部分消防力量繼續(xù)留守觀察?；饒鎏幹糜脮r約26 h，滅火冷卻總用水量超過2 000 m3。
2.2 火災處置經(jīng)驗
該起儲能電站火災發(fā)生后，事故預警、初期處置、滅火救援、現(xiàn)場防護等各方工作有效、積極，主要有以下經(jīng)驗：
1）預警系統(tǒng)發(fā)揮作用。EMS能量管理系統(tǒng)、BMS電池管理系統(tǒng)及時預警、及時動作、客觀記錄，為及時發(fā)現(xiàn)和處置災情以及后續(xù)事故調(diào)查提供了重要支撐。
2）初期事故處置有序。事故發(fā)生后，管理系統(tǒng)及時動作，電池預制艙停止運行；火災報警、滅火系統(tǒng)正常啟動；值班人員第一時間撥打119電話報警；相關(guān)管理、技術(shù)人員及時到場。
3）偵察處置安全有力。消防力量到場后，第一時間了解管理系統(tǒng)和設備設施動作情況，迅速疏散在場人員，切斷站區(qū)電源，啟動部門和專業(yè)協(xié)作機制，利用技術(shù)手段全面監(jiān)控現(xiàn)場安全條件。
4）滅火戰(zhàn)術(shù)準確有效?，F(xiàn)場指揮部與有關(guān)專家充分研判，采取“冷卻控制、防蔓延、防傷亡”戰(zhàn)術(shù)，遠程使用移動水炮、滅火機器人不間斷進行冷卻和隔離，并進行實時技術(shù)監(jiān)測，有效防止了衍生災害。
5）開艙滅火慎重果斷。現(xiàn)場指揮部綜合研判冷卻控制情況和火場溫度、安全條件，打開站內(nèi)其他電池預制艙了解艙內(nèi)設施和結(jié)構(gòu)，強化攻堅組安全防護，成功開艙滅火。
6）戰(zhàn)勤保障全面有力。滅火作戰(zhàn)持續(xù)時間長，消防員個人防護、消防裝備、消防水源以及后勤保障各方面有序有力。特別是附近1處2 000 m3的農(nóng)業(yè)用水，為不間斷冷卻用水提供了重要支撐。
3 火災調(diào)查情況
該地啟動火災調(diào)查區(qū)域協(xié)作機制，并邀請全國火災調(diào)查專家、消防科研機構(gòu)專家參加?，F(xiàn)場勘驗時，全程落實有害氣體現(xiàn)場監(jiān)測和個人安全防護。
經(jīng)查EMS告警記錄，當日午時，6號PCS艙儲能系統(tǒng)開機，充電壓板投入，滿功率開始充電；約1 h后，6號PCS艙4簇控制系統(tǒng)突然頻繁緊急關(guān)機、復歸；又1 h后，視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)6號電池預制艙電氣室中間底部出現(xiàn)火光，6號電池預制艙BMS三級故障，觸發(fā)6號電池預制艙消防報警，七氟丙烷氣體滅火裝置啟動。在場人員發(fā)現(xiàn)處置無效，立即打119電話報火警。
經(jīng)勘查，6號電池預制艙全部過火，各電池模組安全閥全部開啟，七氟丙烷鋼瓶高溫變色，氣體全部釋放。拆除6號電池預制艙全部電池簇進行比對，16個電池簇燒損情況見圖3。
2號電池簇燒損程度較重，其他電池簇的燒損程度隨著與2號電池簇的距離依次減輕。2號電池簇各電池模組過火，外觀基本完好，燒損程度下重上輕，底部配電箱全部燒毀。6號PCS艙對應1號、2號電池簇防雷裝置燒損，有過壓短路痕跡。2號電池簇及內(nèi)部電池模組燒損情況見圖4。
圖3 6號電池預制艙電池簇燒損情況
圖4 2號電池簇及內(nèi)部電池模組燒損情況
2號電池簇底部配電箱燒損情況見圖5。
圖5 2號電池簇配電箱燒損情況
綜合調(diào)查情況，判定起火原因為6號電池預制艙內(nèi)2號電池簇底部配電箱因外部高壓沖擊短路起火。
4 火災暴露的消防安全問題
通過火災調(diào)查及各方深入會商討論，儲能電站磷酸鐵鋰電池預制艙存在以下消防安全問題。
1）鋰電池的火災危險性等級劃分標準、消防安全定性分類偏低。GB 51048-2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》第11.1.3條，將鋰電池火災危險性確定為戊類，并基于此規(guī)定了相關(guān)的平面布局、建筑防火、消防設施、消防管理等系列要求；GB/T 42288-2022《電化學儲能電站安全規(guī)程》等標準也以戊類火災風險為基礎提出相對較低的消防安全要求。由于國家標準將鋰電池火災危險性確定為戊類，導致實踐中鋰電池儲能電站消防安全設防標準偏低。有專家認為這一定性不符合鋰電池的本質(zhì)危險性，需要重新評判規(guī)劃。比如，北京市地方標準DB11/T 1893-2021《電力儲能系統(tǒng)建設運行規(guī)范》第4.2.2條，將鋰離子電池火災危險性確定為甲、乙類，并設定了較高的消防安全標準。
2）電池預制艙消防系統(tǒng)應對火災的效果不明顯，儲能電站設計標準規(guī)范缺少滅火系統(tǒng)相關(guān)要求。本起事故的儲能電站在電池預制艙設置七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)，事故發(fā)生時已聯(lián)動釋放，但沒有成功滅火，使用效果不顯著。有的儲能電站在電池艙同時設有氣體滅火系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)，有的地方探索使用壓縮氮氣泡沫滅火系統(tǒng)、新型氣溶膠滅火系統(tǒng)等。GB 51048-2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》并未強制規(guī)定設置滅火系統(tǒng)。但基于鋰電池火災特性，在內(nèi)部滅火系統(tǒng)失效后，需要保障外部具備有效的滅火、隔離措施。本起事故儲能電站消防用水設計嚴重不足，實戰(zhàn)中無法保障冷卻隔離用水需要；鋰電池預制艙間的防火間距僅3 m，事故發(fā)生時無法有效防止火災蔓延和進行滅火展開；儲能電站消防設施和消防裝備嚴重不足，缺少嚴格的防火防爆設計要求。
3）儲能電站消防安全能力建設不充足，相關(guān)消防法規(guī)需要同步調(diào)整支持。儲能電站是新能源領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎設施，其內(nèi)部儲存的能量密度高、火災風險高，但是當前的消防管理策略通常將其視為普通社會單位處理。在法律法規(guī)方面，現(xiàn)行的《消防法》等法律體系不包含針對此類新興產(chǎn)業(yè)專職消防隊伍建設的要求，導致儲能電站的消防安全保障制度不適應需求，無法構(gòu)建高效、專業(yè)的消防應急體系。此外，儲能電站專業(yè)技術(shù)人員在消防安全管理領(lǐng)域的專業(yè)性、實戰(zhàn)經(jīng)驗、有效處置能力不足，無法保障火災初期的響應速度，有增加火災蔓延和擴大損失的風險。因此，完善儲能電站的消防能力建設并推動相關(guān)消防法規(guī)的修訂，已成為保障新能源產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展的迫切需求。
4）磷酸鐵鋰電池熱失控后存在爆炸風險，滅火處置應對措施存在爭議。本起事故起火原因為電池模組外部配電盤電氣短路，屬于外部火源引發(fā)，電池模組內(nèi)部反應不夠充分，毒害氣體釋放量有限，爆炸風險相對較小。但關(guān)于磷酸鐵鋰電池熱失控后爆炸的可能性仍存在較大爭議。
5）儲能行業(yè)安全、儲能電站火災風險評估未受到足夠重視，缺少專業(yè)監(jiān)測及定期審查。為落實能源安全戰(zhàn)略，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》等，電化學儲能電站發(fā)展迅速，市場環(huán)境和商業(yè)模式初步建立。至2023年底，我國已投入運行的電力儲能項目累計裝機規(guī)模達86.5 GW，同比增長45%。伴隨新型儲能的高質(zhì)量、規(guī)?；?、集成式發(fā)展，國內(nèi)外電化學儲能安全問題日益引起關(guān)注。2024年5月15日，美國加利福尼亞州 Gateway三元鋰離子電池250 MW儲能電站站房式儲能系統(tǒng)發(fā)生火災，并多次復燃，持續(xù)2周才被撲滅。從整個新能源行業(yè)系統(tǒng)看，儲能電站火災需引起高度關(guān)注，急需開展相關(guān)風險評估工作。
5 儲能電站消防安全措施
當前，新型儲能技術(shù)發(fā)展迅速，但相關(guān)安全標準和技術(shù)規(guī)范滯后、防滅火措施不到位、消防管理專業(yè)化水平不足。為保障新型儲能產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展，建議以加強風險管理為基礎保障，提高消防安全技術(shù)標準、管理能力，構(gòu)建并持續(xù)完善滅火應急處置機制，同步建立行業(yè)消防安全風險評估體系。
5.1 以火災高危單位風險管理為基礎
試驗表明，在熱失控條件下，鋰離子電池熱解氣體爆炸下限為6.22%、上限為38.4%，比常見可燃氣體爆炸極限范圍寬，且風險更大。2024年4月27日，德國尼爾莫爾商業(yè)區(qū)某磷酸鐵鋰電池儲能集裝箱發(fā)生火災，當?shù)叵绬T到場并咨詢運營商后，打開正在冒煙的儲能集裝箱時發(fā)生爆炸，造成2名消防員受傷。鋰電池火災危險性應主要依據(jù)其熱失控后釋放的可燃氣體的風險確定。建議消防標準規(guī)范和消防法規(guī)將鋰離子電池火災危險性確定為甲、乙類，將儲能電站界定為火災高危單位，并以此為基礎，規(guī)范設置消防安全設施，并開展消防安全管理。
5.2 提升消防安全技術(shù)標準
建議盡快修訂國家標準GB 51048-2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》，取消將鋰電池火災危險性定為戊類的規(guī)定，按照甲、乙類火災危險性，提高鋰電池儲能電站耐火等級、防火間距、防火防爆、消防設施等方面的消防設計要求。當電池艙內(nèi)部氣體滅火系統(tǒng)無效時，采用遠程噴水冷卻隔離、管網(wǎng)供水浸沒滅火等戰(zhàn)術(shù)非常重要。可考慮在每個電池預制艙增設消防水泵接合器和局部應用的開式自動噴水滅火系統(tǒng)，以每個電池簇中每個電池模組為單元進行設置，確保有效浸沒電池模組。鋰電池預制艙應當增設消防水泵接合器和開式自動噴水滅火系統(tǒng)，并增設泄壓措施。站內(nèi)室外消火栓旁應增設水槍、水帶、扳手等器材箱；可根據(jù)實際情況增設固定式室外消防水炮。同時，考慮增加消防用水量，修訂消防用水計算標準，火災延續(xù)時間宜以5 h以上計算，并明確備用水源。
5.3 提高消防安全管理能力
在修訂《中華人民共和國消防法》《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》時，針對儲能產(chǎn)業(yè)新風險，增設相關(guān)制度和規(guī)定。明確距離當?shù)叵勒据^遠的中大型電化學儲能電站，應當建立企業(yè)專職消防隊，增設防爆、防毒、防觸電等專業(yè)裝備；儲能電站應按照高危單位安全要求，建立風險分級管控和隱患排查整治雙重預防機制，管理人應具備相關(guān)的安全職業(yè)資格。同時，持續(xù)推進儲能電站消防安全標準化建設，加強對無人值守儲能設施的信息化管理和定期巡查，明確人防、物防、技防標準和運行維護安全措施。明確各管理系統(tǒng)異地或云存儲要求，規(guī)范BMS、EMS數(shù)據(jù)存儲管理標準，確保發(fā)生事故后可通過數(shù)據(jù)溯查分析。企業(yè)應建立儲能專家協(xié)作機制，加強運維、巡查人員專業(yè)化安全培訓，每半年進行一次全流程實戰(zhàn)化消防演練。建議制定《電化學儲能電站消防安全管理》國家標準，填補安全管理標準空白，可吸納國家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的25項重點要求（2023版）》的相關(guān)剛性內(nèi)容。
5.4 完善滅火應急處置機制
針對磷酸鐵鋰電池預制艙火災熱失控后有較大爆燃爆炸的可能性，不應盲目開艙滅火。在火災處置中，應堅持“以人為本、安全第一”的原則，優(yōu)先疏散人員、切斷電源，加強現(xiàn)場安全監(jiān)測，審慎開艙滅火，有效防止觸電、中毒、爆燃、爆炸等衍生危害?；馂奶幹弥?，應堅持“科學施救、穩(wěn)妥處置”原則，第一時間了解EMS、BMS等管理系統(tǒng)動作及視頻監(jiān)控情況，加強與相關(guān)專家溝通，積極利用滅火機器人、移動水炮等遠程出水，有效發(fā)揮無人機遠程偵察和紅外溫度監(jiān)測等作用，近戰(zhàn)、攻堅力量務必加強個人安全防護。磷酸鐵鋰電池預制艙火災撲救耗時長，用水量大，處置難度大，平時應加強預案熟悉、現(xiàn)場勘查和合成化、實戰(zhàn)化演練。
5.5 建立行業(yè)消防安全風險評估體系
建立儲能電站行業(yè)消防安全評估機制，對新的國家標準出臺前已經(jīng)建設并投入使用的電化學儲能電站，通過明確評估目標、確定評估依據(jù)、全面組織核查、綜合分析評判等開展安全風險評估。組織專業(yè)團隊對儲能電站進行實地檢查，重點檢查電池組、電氣設備、消防設施等關(guān)鍵部位，研提改進措施、優(yōu)化安全管理，持續(xù)加強儲能電站的本質(zhì)安全。針對區(qū)域性儲能安全，定期組織開展專業(yè)化綜合評估，建立健全儲能產(chǎn)業(yè)火災高風險單位“黑名單”制度，落實監(jiān)管、督促整改，確保進退有序、安全發(fā)展。
